第七章脉冲中子能谱测井

1、第七章 脉冲中子能谱测井 由脉冲中子发生器产生的高能中子进入地层后，与地层中的原子核发生非弹性散射、弹性散射、辐射俘获等核反应，产生超热中子、热中子和各种次生射线。脉冲中子能谱测井就是通过测量和分析这些射线场的时间和空间分布，来确定地层的岩性、孔隙度、流体饱和度及油田开发动态测试。通常有两种脉冲中子能谱测井方法可以完成过套管进行储层评价和饱和度监测。一种是测量热中子衰减时间，即中子寿命测井。一种是测量非弹性散射能谱来确定地层中C和O的相对含量，即C/O能谱测井。其中，C/O测井方法的研究始于20世纪50年代，十多年后，出现了第一代C/O测井仪器（Tittman，Nelligan，Culver等

2、人），但此时所用的中子源不是脉冲中子源。20世纪60年代首先出现了脉冲中子寿命测井仪（Youmans等人），并应用于石油行业。1970年，由Culver等人把中子寿命测井仪器的脉冲中子发射系统应用于C/O仪器，并成功投入现场实践。在这以后，由于生产上的需要，脉冲中子测井技术进入了快速发展期。各大石油公司都相继推出了各自的脉冲中子测井仪器。哈里伯顿公司1982年推出了多门热中子衰减时间测井仪TMD（直径43mm）。1990年推出大直径的脉冲能谱测井仪PSGT，采用先进探头设计和资料处理，使得C/O仪器在较大的孔隙度范围内及不同的井眼条件下能取得准确的含油饱和度。1994年推出的TMDL是在原有T

3、MD技术的基础上，增加了远程探测器进行能谱测量的能力，这些能谱数据能够提供岩性信息，其本底测量的数据可用于氧活化水流速度测量。但是，中子寿命测井只有在高化度环境才能取得很好的结果，当低矿化度地层或未知地层矿化度的情况下，中子寿命测井资料无法进行解释；而这时C/O能谱测井却能取得可靠的结果。如果把这两种脉冲中子能谱测井方法相结合，将会取得很好的效果，还可以获得一些其它方面的有用信息。另一方面，为了满足大直径仪器测井施工的要求，通常需要关井和拔出生产油管，这限制了大直径脉冲中子仪器的应用。于是，哈里伯顿公司1998年推出的新型脉冲中子能谱测井仪器RMT。这种新型仪器是以C/O能谱测井仪PSGT为基

4、础，结合中子寿命测井方法TMDL，并兼顾过油管测量的需求，是一种小直径、多功能的油藏监测仪器。该仪器除了提供大直径脉冲中子能谱测井仪所能提供的所有信息外，还可以提供一种主要反映井眼流体类型的C/O测量值（指示井眼的持油率）。第一节 脉冲中子能谱测井的物理基础 由脉冲中子发生器产生的14.1MeV的高能快中子射入地层后，首先与地层物质的原子核发生非弹性散射，这个过程几乎是立即发生的（大约是10-810-7s）。在受激发的原子核向基态跃迁时，发射非弹性散射射线。接着发生的过程是弹性散射。在地层中经过10-610-3s的弹性散射之后，几乎所有的快中子都被慢化成热中子，并不断地被周围的原子核俘获，释放

5、出俘获射线。最后发出的是在活化反应过程中生成的活化核衰变而产生的活化射线。图7-1是快中子轰击原子核时产生射线的时间框架图。由于这三种射线之间有一定的时间延迟，因此，可以从时间上将这几种不同核反应过程中所产生的射线区分开来，这就有了不同的脉冲中子能谱测井方法。10us1000us 1000us若干天非弹性散射射线俘获射线活化射线 N图7-1 快中子诱发射线的时间框架图一非弹性散射图7-2 非弹性散射能谱 能量为14.1MeV的高能快中子进入地层，首先与地层中某些核素的原子核发生非弹性散射，快中子先被原子核（即靶核）吸收形成复核，而后放出一个能量较低的中子。部分中子的能量转变成原子核的激发能，使

6、靶核处于激发态，即处于较高能级。激发态的是不稳定的，在很短的时间内发出一个或几个光子，并释放出多余的能量而回到基态。这个作用过程的前后系统的总动能不守恒，故称为非弹性散射，在此过程中发出的射线称为非弹性射线。在中子发射后的10-810-7s时间间隔内，非弹性散射是中子损失能量的主要方式。可以认为非弹性散射和由此产生的射线是在中子发射的同时进行的。当中子发射停止，该过程立即终止。其它作用过程是在中子发射停止以后的时间内发生的，利用这一特点，可以把非弹性散射射线与其它过程中产生的射线区分开来。 碳氧比能谱测井方法就是利用地层中不同核素的快中子反应截面及诱发的射线能量不同的原理，通过探测器记录非弹性

7、散射射线能谱，处理并分析射线能谱，计算、和等核素的产额，进而确定储层流体饱和度等参数。图7-2是哈里伯顿公司用BGO晶体在10in井眼，7in套管井中测得的非弹性散射能谱，地层分别是孔隙度为36%的饱含油砂岩，孔隙度为35%的盐水砂岩，孔隙度为26%的淡水石灰岩。图中上面一组曲线是对下面曲线进行5倍放大后所得的的结果。二弹性散射 高能中子经过若干次非弹性碰撞，中子损失能量，当中子能量不足以再发生非弹性散射后，便通过发生弹性散射进一步慢化。所谓弹性散射，是指中子与原子核碰撞后，系统的总动能不变，中子所损失的动能全部转化成反冲核的动能，而反冲核仍处于基态。中子发射后的10-610-3s时间内，主要

8、发生弹性散射。在中子发射停止后，可立即测量超热中子衰减时间谱，以此确定快中子再地层中的慢化时间，进而求出孔隙度。同时直到下个发射中子周期开始，大约在小于1000s的时间内，可以测量热中子的衰减时间谱，以确定热中子寿命和地层流体饱和度。三辐射俘获图7-3 俘获能谱 14.1MeV的快中子在地层中经过非弹性散射、弹性散射过程后，被慢化成热中子。热中子在地层中扩散，逐渐被地层的原子核俘获，原子核俘获一个热中子而变为激发态的复核。复核放出一个或几个光子后，回到基态。这就是辐射俘获反应，在此过程中放出的射线称为俘获射线。测量辐射俘获强度随时间的变化，可间接反映热中子的衰减过程。 由于不同的原子核具有不同

9、的核能级，它们俘获热中子后放出的射线能量也不同。脉冲中子俘获能谱测井就是利用这一原理，记录中子辐射俘获过程产生的俘获射线能谱，通过一定的数学方法处理并分析记录的射线谱，来确定地层中、和等核素的产额，进而获得地层的岩性和流体有关信息。图7-3是哈里伯顿公司用BGO晶体在实验井中测量得到的俘获能谱。测量的井眼条件和地层条件和图7-2相同。四中子活化 稳定核素在中子的照射下，产生核反应，变成放射性核素的过程称为中子活化反应。这些放射性核素也称活化核，它们是不稳定的，在10-3104s时间内发生衰变，并放出射线和射线。此过程产生的射线称为活化射线。在其它作用过程中，活化射线的强度很低且变化很慢，可以当

10、作本底处理。快中子和热中子都能够使原子核活化。 中子活化伽马测井就是通过测量并分析活化能谱，研究地层的化学成分或井眼的水流速度。常用的活化测井方法有硅活化、铝活化和氧活化。下面简单介绍RMT仪器测量中用到的硅活化和氧活化方法。 快中子引起的硅活化反应式是产生的放射性将按下式衰变 通过测量分析硅活化产生的射线可以确定地层的岩性。 快中子引起的氧活化反应可简单地表示为g射线探测器中子发生器O16N16O16g (6.13 MeV)衰变半衰期7.13s氧活化nO16*图7-4 氧活化水流速度测量原理图产生的将以7.13s的半衰期进行衰变，衰变核通过释放6.13MeV(67%)、7.12MeV(4.9

11、%)等高能射线退激 脉冲中子氧活化水流速度测量方法是先由中子发生器发射一段时间中子，把仪器周围纵向上一段水活化。在水流动方向上设置多个射线探测器，当活化水流经某探测器时，该探测器计数率增大。通过测量时间谱，计算出水流从中子源流到探测器的时间tm。又知道中子源到射线探测器晶体中央的距离l，则水流的速度v为l/tm。在已知流动截面面积的情况下，通过水流速度还可以计算出流量。图7-4是氧活化水流速度测量原理图。图7-5是RMT仪器测得的氧活化能谱，上面的曲线为近探测器得到的能谱，下面的为远探测器能谱，OAI为氧活化窗，OBI为本底窗。同时，可根据康普顿比OAI/OBI来判断水流是在套管内还是在套管外

12、。归一化计数 能量道址图7-5 氧活化能谱第二节 RMT仪器结构、技术指标和特点 RMT仪器是双探测器、多测量模式的脉冲中子能谱储层监测仪器。具有高分辨率、高灵敏度、耐温、耐压、应用范围广等特点。一RMT仪器的结构1仪器组成RMT测井仪主要有三大部分，如图7-6所示，包括伽马遥测短节、电源和RMT仪器部分。而RMT仪器部分又包括探头/中子发生器短节、能谱处理等几部分。其中，探头/中子发生器短节包括以下部分，多门存储器板、能谱接口板、能谱模数转换器板、增益调节板、光电倍增管（PMT）、低压和高压电源、 闪烁探测器和中子发生器。中子发生器由离子源高电压、离子源转换开关（配电板）、高压倍增器和中子发

13、生管组成。光电倍增管（PMT）低压电源调节一级高压变压器（和光电倍增管一起应用）到30v,并提供时钟脉冲来驱动高压变压器。光电倍增管高压调节器调节光电管上的高电压。能谱接口板上的微调控制器通过子程序监视远探头采集的非弹性能谱门，并且调节光电倍增管电压以维持电流增益。该子程序决定高压值。高压控制器从约692v到1138v之间调节高压值，远、近两个探头高压都被调节, 但两者均受远探头增益的控制。探头部分有“近距离”和“远距离”两个射线探头，光电倍增管和相关辅助电子元件(线路)、两个闪烁BGO晶体。当射线和探测器相互作用时,产生一个光脉冲,光脉冲被光电倍增管转换成电压脉冲,这个电压脉冲被传输到增益调

14、节板。增益调节板调节探头的脉冲幅度。并且提供输出到多门存储器面板上的信号的增幅和能谱模数转换器（ADC）信号的增幅。增益调节板输出的探头计数传给能谱模数转换器（ADC）和多门采集器面板。两个探头常用于记录能谱和总计数率。 图7-6 RMT仪器结构两个探测器晶体是直径为1.4in(35mm)闪烁锗酸秘（BGO）晶体。其中近源距晶体的长度是1in，晶体中心和源的距离是11.5in；远源距晶体的长度是6in，晶体中心和源的距离是20.5in。这里的锗酸秘晶体放置在特殊的保温容器中，以保证在温度为150oC的环境中，6个小时以内，探测器的温度保持在可以接受的范围内（小于70oC）。多门存储板用于存储确

15、定岩层中热中子中寿命的数据。远、近探头的脉冲经增益调节板处理后进入多门存储板。计数被微调控制器记忆存储，微调控制器从属于遥测系统，并由遥测系统传输数据（每隔1秒12次,经过LAN）来控制。存在于过油管谣传短节内（TTTC）。能谱模/数字转换器（ADC）也接收来自增益调节板的信息。能谱模/数转换器（ADC）转换来自远、近探头数字脉冲幅度，增益调节板输入到能谱模数转换器，然后数字化数据并输出到能谱接口板上。能谱接口板是一块多用途面板,它控制着中子发生器和远、近探头采集能谱数据和调节光电倍增管的高电压,它也含有传输能谱数据到遥测短节的微调控制器。二RMT仪器的技术指标 RMT仪器的技术指标如表7-1

16、所示。表7-1 RMT仪器的技术指标仪器长度5.48m仪器直径2.125in(54mm)探测器晶体BGO晶体源距长源距20.5in(52.07cm)，短源距11.5in(29.2cm)耐温163(325oF )耐压15000psi中子能量14.1MeV工作频率C/O模式10kHz，俘获模式800Hz源强1×108中子/秒纵向分辨率24in(61cm)测量精度2%采样率每英尺4个或10个点探测深度C/O模式2031cm，俘获模式2546cm测井速度C/O模式1.0m/min，俘获模式4.75m/min三RMT的测量条件1非弹性C/O测量模式在低矿化度（矿化度小于20000ppm）或未知

17、地层水矿化度的储层适用。主要是测量地层的剩余油饱和度，对于未投产的地层确定岩性、孔隙度、流体性质。2对俘获测量模式，地层的矿化度越高，孔隙度越大，应用效果越好。如可在高矿化度条件下进行油水识别；3在任何矿化度条件下均可进行气水识别，但要考虑地层孔隙度的大小。 4RMT仪器虽然可以过套管或油管测量，但由于仪器直径和测量精度的限制，要求最小的套管或油管的内径为2.75in（73mm）；而最大的套管或油管的内径不能超过16.0in(406mm)。 5RMT仪器对测量的环境也有要求，只有在孔隙度大于10%的地层中测得的数据才能解释，地层孔隙度越高，测得的数据精度越高。同时，在采油井中，RMT仪器至少应

18、该与一种流体识别仪器组合使用，测得的数据才能解释。四RMT仪器的特点1RMT仪器是双探测器、多测量模式的仪器。采用两个BGO晶体探测器，该探测器具有很高的能量分辨率，增强了对元素的识别能力；其高密度和高原子序数增强了射线的探测效率。不同晶体的性能见表7-2。表7-2 不同探测器晶体的性能比较晶体类型GSOBGONaI相对光输出2013100能量分辨率8.3%9.3%6.5%晶体密度6.717.133.67原子序数597551 2RMT仪器采用TTTC-B数字遥测技术,大大提高信号传输的质量。3RMT仪器可以过油管测量，节省了作业工序，减少地层浸泡时间。 4RMT仪器的模块化的设计，使该仪器能与

19、生产测井仪(PLT)传感器组合测量,形成一个仪器串，具体的长度取决于所有的传感器的数量和类型。 5RMT仪器之所以选择in这一尺寸,而不是in,是为了能使用较大直径的探测器，以高计数率记录C和O产生的特征高能射线。 6与同类其它过油管仪器比较，RMT仪器对油的灵敏度是其它仪器的三倍；测井速度最快，可达25ft/min，减少了占用井场的时间。 7RMT仪器有严格的质量控制技术，使现场工程师的每一个操作都有记录，并且不能随意删除或修改，从而杜绝了人为因素的干扰。 8测井时，RMT仪器的远、近探测器同时记录非弹性谱、俘获谱、氧活化谱、本底谱等，为有效地分析地层元素提供了依据。 第三节 测量原理、数据

20、采集和质量控制一测量原理RMT由中子发生器发射脉冲中子流，穿透套管、水泥环与地层介质发生非弹性散射、俘获、活化等反应，测量出非弹性散射、俘获谱和活化谱等。由于C、O、Si、Ca、H、Fe等元素核反应截面不同，次生伽马射线特征能量有较大差别，计算出C/O、Si/Ca、Ca/Si、Fe/(Si+Ca)等曲线，用来划分岩性剖面，求出含油饱和度、水流速度，寻找油气层、划分水淹等级等。RMT仪器有两种基本的测量模式即非弹性散射（C/O）模式和俘获（TMDL）模式。1非弹性散射模式非弹性测量模式，即测量C/O值，是淡水油田中的常用测井模式，主要用于计算含油饱和度。中子管以10kHz频率发射脉冲宽度为30s

21、，能量为14.1MeV 的中子，使用闪烁BGO晶体射线探测器和多道能谱采集系统，按一定时序采集中子与地层中的各元素发生反应放出的射线能谱，并把它们送到地面设备中进行记录和分析处理。在发射中子脉冲时间内测量到的射线主要是高能中子与地层中12C、16O、28Si、40Ca 等核素作用产生的非弹性散射的射线；在中子停歇期间测量到的射线主要是1H、28Si、35Cl、40Ca、56Fe 等核素的热中子浮获射线。由于不同核素的非弹性散射和俘获射线有各自的特征能量，通过分析这些能谱，可以计算不同地层核素的产额，并进一步得到C/O、Ca/Si 以及SGFM、RNF、RIC、IRIN、RCAP 等曲线，从而可

22、以确定地层的岩性、孔隙度，并计算地层的含油饱和度。图7-7是C/O测量模式时序图。（仪器在20ms内，）在此模式下，中子发生器以10kHz的频率交替发射持续宽度为30s的中子脉冲，每个脉冲周期是100s。重复200个这样的短周期后，插入一个5ms的本底周期。每秒重复这样25ms的周期40次。对2个探测器分别记录256道的非弹性能谱、俘获能谱和本底能谱,还在中子停歇期内记录61道的时间谱。这种周期性的操作方式重复工作，并从以下3个时间窗口中得到能谱。第一个窗口，位于脉冲中子发射后的后段时间，主要记录非弹性散射射线。第二个窗口，开始于中子发射结束后5s处，并且延长至下一个脉冲开始，记录俘获射线。第

23、三个窗口是本底结束前的3ms时间内，测量本底射线，该本底射线包括自然放射性射线和可能出现的任何活化射线。除了上面三个能窗外，同时在5ms的本底周期内，记录一个61道俘获射线的多门时间衰减谱（图中用标有的方框标示），该谱与TMDL仪器的多门时间衰减谱一样，用于求取地层的俘获截面。由于C/O测井速度相当慢，从某种程度上补偿了该信号的缺失，因此在 C/O模式下，可以同时获得一个地层的FM。为提高非弹性测量的解释精度，需要以一定的的速度（一般是5ft/min）进行多次测量，实际的测量速度和次数主要取决于地层孔隙度的大小、所要求的含油饱和度误差的大小和井眼大小。图7-7 非弹性模式时序图综上所述，在C/

24、O测量模式下，可得到以下几方面信息：C、O、Ca、Si的非弹性产额和C/O、Ca/Si比值；地层俘获截面；Fe、Cl、Ca、K、S、Si、Mg、H和Ti等元素的俘获产额；用于地层孔隙度计算的非弹性或俘获技术率比值，如RNF、KIC、IRIN和RCAP等；反映上流水的氧活化信息OAI和区分管外、管内流动的CRAT等。2俘获模式俘获模式，即中子寿命测井模式。这种模式的中子发生器和测量射线的探测器与C/O模式的相同，但该模式的中子发射时序和射线记录方式与C/O模式不同。中子发生器发射频率为800Hz的脉冲高能中子，经过多次与井眼及地层原子核发生散射作用后能量逐渐损失 (称作慢化)，并向地层深处扩散。

25、中子若不被原子核俘获，慢化的最终结果是成为热中子。热中子仍然会被原子核俘获吸收，吸收率取决于物质的宏观俘获截面。地层宏观俘获截面的测量,可根据体积模型在高矿化度地层水条件下进行含油饱和度的计算，在任何地层水条件下的含气饱和度的计算，同时可与C/O模式结合提供三饱和度（含气、含油和含水饱和度）的评价，此外还可采用测-注-测的测量方法进行剩余油评价。测井时，在测得第一条俘获截面曲线(基线)后，向井筒内注入具有高宏观俘获截面溶液(如硼、钆)酸溶液替出井筒内的原有液体，硼（或钆）酸溶液通过渗透由高浓度向低浓度扩散至射孔层位中。由于硼（或钆）元素具有很高的中子俘获截面，而且其离子具有只溶于水而不溶于油的

26、特点，因此注入这类液体后，仅改变了地层可动水的俘获截面。在渗透一定时间后测量第二条地层俘获截面曲线，由所测两条俘获截面曲线数值上的差异确定地层的含水饱和度。如果测试井存在窜槽，同样原理可以探测窜槽的位置。由于不需要对岩性、温度和孔隙类型等影响因素作校正，此方法可以在高含水后期确定生产井产层的剩余油饱和度，检测层间窜槽等。图7-8 俘获模式时序图图7-8是俘获模式时序图，它与TMDL的脉冲序列和门槛序列相同。中子发生器以800Hz的频率发射脉冲中子。一个完整的测量序列为25ms，16个衰减周期占前20ms，本底测量占5ms，每个衰减周期占1250s，分61个时间门进行计数。前32个时间门宽度为1

27、0s，其后是16个宽度为20s和12个宽度为50s的时间门，最后一个门的宽度是10s。在衰减周期内进行时间衰减和俘获能谱测量。每完成16个衰减周期的测量，就插入1个由3个时间门组成的本底测量周期，前2个门宽为1ms，最后1个门宽为3ms。对多门时间衰减谱的处理可以得到高质量的俘获截面（FM），对俘获能谱的分析，可得到多种元素的产额。但是，由于RMT探测器的源距和大小与TMDL略有不同，其响应（FM，远/近计数率比值）也随之略显差异。该模式包括三种能谱测量，即1在中子发射期间进行非弹性测量。2在中子发射后170us处开始进行地层俘获谱测量，直到下一个脉冲开始。3在测本底期间，进行自然放射性与活化

28、射线测量。其中活化射线的测量仍然采用连续测量方案，在本底结束前3ms内测量活化射线。这种方式的中子产额有效率为6.4%，测量时间有效率为12%。俘获测量模式可以提供常规的PNC测井的所有测量，并且能够从俘获谱中得到更好的岩性资料。如果不需要能谱数据，该模式正常的测井速度为20ft/min；如果需要高质量的能谱数据，测井速度则为5ft/min。事实上,RMT测量的信息量远大于大直径脉冲中子能谱仪PSGT测量的信息量, 它不仅可在C/O模式下获取与PSGT测量精度相同的C/O测量,还可提供有关相当于中子和密度孔隙度的信息（由双探测器提供）,而同时具有TMDL测量的功能,即俘获模式下的中子寿命测量。

29、因此RMT是一种集PSGT和TMDL于一体的且具有一定水流检测的多功能储层描述仪。二数据采集1记录的基准谱在C/O测量模式和俘获测量模式下，远、近探头记录了非弹性散射能谱、俘获能谱谱、背景谱（或本底谱）以及时间谱。2原始记录曲线 COIR一非弹性C/O，是C/O模式下RMT测井最重要的曲线。在最简单的条件下，COIR随着含油体积的增加而增加，也随着灰质体积的增加而增加。LIRI一非弹性Ca/Si,是一条很好的岩性指示曲线,并且有助于区分COIR曲线中含油饱和度与岩性的贡献。相对砂岩而言，LIRI随着灰质体积的增加而增加。SIGMA一是远探测器测量的地层俘获截面，在高矿化度地区可用于计算含水饱和

30、度，在低矿化度地区可指示泥质含量。OAI氧活化计数，可用于指示水流速度。RCAP（RN/F）一是短源距与长源距经过死时间和本底校正后俘获计数率之比，可用于估算中子孔隙度和定性指示地层是否含气。IRIN一是短源距探测器和长源距探测器（中子发射期间测量到的）非弹性计数率之比，可用于估算密度孔隙度。RICF一是长源距的非弹性与俘获计数率之比，有助于区分含气层和低孔隙度层。在液体充填孔隙的地层，RICF与RN/F曲线重叠，这两条曲线随孔隙度的变化产生类似的变化，但RICF对地层气不敏感，RN/F则相反。YSI 、YCA一从俘获谱得到的硅、钙岩性指示曲线。当进行COIR和LIRI组合测井时, 从灰岩层中

31、能分辨出油藏。KIC一钾指示曲线,帮助确认储层粘土含量,KIC曲线在泥岩层中数值增加，在纯地层中减少。RIC一非弹性与俘获的计数率比 。RIC在识别气层和低孔隙度地层时非常有用；在充满流体的地层中，RIC将跟随RN/F的变化而变化，并随孔隙度的变化产生相似的变化；R IC对气层反应不灵敏, 而RN/F则对气层反应灵敏。SGBN（BH-SS）一短源距探测器测得的井眼俘获截面。它可以指示井内流体矿化度和流体界面,封隔器,水泥环返高, 及井眼附近含气情况。GR一自然伽马曲线，用于校深和在没有外部的泥岩指示曲线时，计算泥质含量。CCLR一磁性定位曲线，用于深度较正。SGFM(FMCORR)一经过扩散校

32、正的地层俘获截面， 通过短源距和长源距数据可以计算出SGFM值。RIN一指中子脉冲发射期间的近探测器与远探测器之间的非弹性计数率之比。 SGIN(FMINT) 一经过环境校正的FMCORR值。环境校正值考虑到井内流体的矿化度和类型，井内管柱，水泥环的存在、厚度及矿化度。3质量控制曲线STUN表示统计不确定性,用下式计算STUN=1.2COIR*SQRT(S/D*(1/C+1/O)其中 S测井速度，单位n/s；D平均有效深度区间；C、O= 碳、氧窗计数率。对于不可靠的数据，STUN应小于1%。FER质量指示曲线, 用来指示铁峰边缘的位置,该曲线对能谱系统的自动增益调节和谱峰偏置非常灵敏,其数值基

33、本固定在2.0。HPLI一是用于确定氢峰位置的质量指示曲线,该曲线对能谱系统的自动增益调节和能谱系统的偏置非常灵敏,其数值基本固定在1.0。NFTR一近探测器的实际衰减数据和双指数模型参数的对比误差，它应低于4%。NSBF、FSBF（SS-BKG、LS-BKG）一是每个探测器滤波后的本底计数率，在一般情况下,SS-BKG增长非常缓慢,它主要用来监视探测器晶体的活化。长源距探测器远离中子管, 其晶体的活化可从强自然放射性得到补充。通过GR曲线可以检测到这种情况。这两条曲线间的变化不一致，可视为电子干扰或探测器异常问题。这样可以对输出RN/F曲线造成不利影响,它们的本底计数率在水流从探测器底部通过

34、时也受到影响,这种现象称之为“氧活化”，在生产测井中，这是一种分析水流异常流动的有用诊断方法。SGFN、SGFF(FM-SS、FM-LS)一由近、远探测器计算出的地层俘获截面,用来指示扩散效应的大小,在好的井眼条件下,由于扩散效应的原因 , FM-LS比FM-SS低2-3俘获单位。LTHl一在近探测器的能谱中，钙窗和硅窗的计数率比值 。相对气层而言,它在致密石灰层减小,在高矿化度地层水的砂岩中，数值也较低。LTH2一在远探测器的能谱中，钙窗和硅窗的计数率比值。与气层相比,它在致密灰岩层数值减小。RTBF(RBH/FM)一短源距井眼计数率与地层计数率之比,随井眼尺寸的增大或孔隙度的降低而增大。它

35、主要受井眼内流体矿化度、管柱及油套环空空间的影响。ATBN(ABHBH)SS一由短源距探测器计算的总的井眼计数率，反映井眼环境的变化。ITCR总的非弹性计数率。4质量控制STUN 曲线反映了RMT的统计不确定性，对于可信的数据，要求STUN 低于10%,在测速为2-5ft/min及常见地层条件下，STUN在1.5%至1.8%之间； ITCR为总的非弹计数率，范围在3000-7000cps，5000cps 为最佳计数率；FER（铁峰边缘比）和HPLI(氢峰峰位)用于指示铁峰和氢峰的位置，检测这两条曲线是为了得到有质量保证的测井曲线。它们在数值上应该基本保持恒定，0.8HPLI1.2，1.8FER

36、 2.8；在不牺牲质量和精度的情况下具有过油管测井能力； 图7-9是RMT测得的原始曲线图；图7-10为一组质量控制曲线图。图7-9 原始曲线图图7-10 质量控制曲线第四节 资料处理与解释一测井数据预处理测井时，由于温度和探测系统稳定性等因素的影响，能谱会发生漂移，即道址和能量的对应关系发生变化。在资料处理时，首先对采集到的射线能谱进行光滑、寻峰和重新刻度，然后再对同一测量段的多次测量曲线进行累加和平均，以获得更高的统计精度。而后要根据仪器特定的死时间对衰减曲线进行死时间校正。为获得真实的衰减曲线，还要从每一条曲线中扣除本底的贡献。对校正后的衰减曲线进行双指数函数拟合的方法(Jacobson

37、,et al.,1994；Schultz,et al.,1983)。1非弹性模式的能谱处理对非弹性能谱首先要进行累加校正。在非弹性能谱窗口中,累加效应表现得非常重要。但在俘获和本底测量窗口中,这一效应非常小。随后,为了消除俘获对非弹性能谱的贡献,要从非弹性能谱中扣除俘获能谱的贡献。俘获能谱对非弹性能谱贡献的大小是在实验室中使氢峰在非弹性谱中最小化来确定的。在C/O操作模式下,该贡献的大小是一个随地层特性改变的相对常量。经俘获校正后的非弹性谱被简化成四个能窗计数率，如图7-11的上部所示,再利用C、O、Ca、Si元素的基本非弹性能谱（见图7-12(a)）去拟合校正后的非弹性能谱，求出C、O、Ca

38、、Si元素非弹性响应。计算出的C/O和Ca/Si比值与实验室测量的扇形图相结合,可以估算己知孔隙度下的含油饱和度。图7-11 在高孔隙度淡水砂岩（FWSS），含油砂岩（OSS），以及淡水石灰岩（FWLS）中的RMT能谱。该井眼直径为10in，套管直径为7in，比重为26 lb/ft，周围是淡水水泥环。上述资料是在哈里伯顿的测试井中采集的，代表300s的累计时间。所有资料均经过死时间校正、累加校正和本底校正2俘获能谱的处理首先，要对俘获能谱进行本底校正,即对俘获能谱进行自然放射性和活化射线的校正。去掉本底的影响非常必要,因为它是本底门对俘获门的相对贡献系数。然后，与PSG仪器的方法类似，校正后的

39、俘获谱分为18个能窗，如图7-11的下部所示。根据各种元素的特征谱在不同能窗中的相对贡献，利用各元素的特征谱（图12），使用加权最小二乘法进行拟合，求出元素的产额，从中求取的元素包括氢、钙、硅、铁、氯、钾、硫和钛。 (a)基本非弹性谱 (b)基本俘获谱图7-12 RMT仪器的标准谱二RMT仪器的测井响应特征RMT仪器的响应特征是从Halliburton公司在休斯敦的刻度井中得到的，如图7-13所示。Neutron Test Pits图7-13 RMT仪器的实验井及井场图对仪器测试时，先后测试3次，每次累计测试300s，把3次的测试结果平均,以得到在给定实验井、套管或井眼环境下的仪器响应。测试的

40、井眼条件有：孔隙度分别为2%、12%和26%的石灰岩, 井眼直径为6in和10in；孔隙度为35%的淡水砂岩, 井眼直径分别为6in、10in和14in；孔隙度为36%的饱和油砂岩,井径分别为6in、10in和14in；孔隙度为42%、矿化度为150000ppm的盐水砂岩, 井眼直径分别为6in、10in和14in。本节中讨论的原始响应是从具有以下条件的几个实验井中测量得到的，即井眼直径为10in，套管直径为7in,比重为261b/ft,淡水水泥固井。为了确定处理软件的脉冲累加校正,在低中子输出条件下进行了几次累计时间较长的测试，这可用于确定纯净谱的形状 (累加最小)。在经过死时间校正、累加校

41、正和俘获本底校正后,在纯净的非弹性能谱中使用4个能窗,见图7-11上部。这些窗的计数率主要反映了C、O、Ca和Si的相对含量,从而可得到C/O和Ca/Si。图7-14显示的是RMT仪器在地层分别是孔隙度35%的淡水砂岩、孔隙度为36%的饱和油砂岩和孔隙度为26%淡水石灰岩中测得的非弹性能谱。井眼条件是在井眼直径为10in，套管直径为7in,比重为261b/ft,淡水水泥固井。从图中可以看出，该仪器测得的能谱分辨率很高，对油水的分辨能力增强。40 30201008642Gamma-ray Energy (MeV)X5 35 pu fw ss 36 pu oil ss 26 pu fw lsSiC

42、aCO Normalized CountsNormalized count×10-3图7-14RMT仪器在实验井中测得的非弹性能谱图7-15中的扇形图是在7in套管、10in的井眼环境，孔隙度为12%和26%的石灰岩地层,孔隙度为35%的淡水砂岩地层,孔隙度为36%的饱和油砂岩地层,以及孔隙度为42%的盐水砂岩地层中得到的合成图。虽然只用了一些数据点,但处理过程的物理性质仍然约束了扇形图的参数。图7-15 在10in 井眼7in套管中获得的C/O (COIR)和Ca/Si (LIRI)非弹性扇形图响应。C/O扇图由文中的公式（2）得到，并与实验室测量值拟合。实验室值用采用公式（3）计

43、算，图中用“*”表示。Ca/Si 比由公式（5）表示，并与实验室测量值（“*”所示）进行了对比。42个孔隙度单位的砂岩测量结果也用于该拟合程序，不过图中未示出。测量得到的C/O数学模型如下:(7-1)式中 灵敏因子；YC碳元素丰度；YO氧元素丰度；b刻度因子；孔隙度；因高能伽马射线进入低能窗引起的下散射偏移量。式中右边的第二项考虑了地层密度对迁移的影响。YC /YO与地层骨架物质、孔隙度及饱含的流体相关，有(7-2)式中SO含油饱和度；VCa石灰岩体积；NCx碳原子密度；表1 常见地层和井眼的氧、碳原子密度核素碳、氧原子密度(1023g/cm3)NCh42.9NCCa16.2NOW33.3NO

44、Ca48.6NOSi53.0NOx物质x中的氧原子密度。表1列出常见地层和流体的碳、氧原子密度。其中标有“h”下标的，表示油（氢，“W”下标的表示水。YC /YO定义了C/O 扇形图的基本形式。因此，等式（7-1）中的自由参数是，和。参数基本由 =1（在100%的水中测量）时的C/O值确定。这样，剩下两个参数通过对图7-15左边的测量数据（标有“*”的地方）进行拟合确定。孔隙度为36%的含油砂岩和孔隙度为35%的淡水砂岩在该拟合过程中得到很好的验证。如图7-15中的扇形图所示，有 (7-3)式中的a值 (0.132)稍大于从哈里伯顿大井径C/O仪器(PSG)中所得数据的一半。与大井径仪器相比，

45、该值的含义为：为使计算的流体饱和度精度与大直径仪器一样，就要求减低测井速度。Ca/ Si的近似模型为： (7-4)式中 a刻度因子；b刻度因子；g = 1时的偏置因子。通过拟合测得的数据就可以得到上述系数（见图7-15的右边（带“*”处），由此可得： (7-5)三解释方法和模型非弹性模式RMT仪器测量的是RC/O和RCa/Si的比值，而客户想得到却是一个给定孔隙度（）下的含油饱和度（S o）。等式（7-3）和（7-5）用于计算YC /YO和VCa（在已知测量参数和孔隙度的条件下）。反过来把YC /YO和VCa代入公式（7-2），可以计算出S o。为了对RC/O进行岩性校正，RCa/Si必须经过

46、转换，以使水层的RCa/Si扇形图与RC/O的扇形图重叠。通过改变比例和补偿值，可使RCa/Si达到上述要求： （7-6）要使R´ Ca/Si 扇图与R C/O 扇图重叠，要求三个端点都拟合，即 （7-7） （7-8） （7-9）式（7-8）与水端点在100%孔隙度处拟合，式（7-8）和式（7-9）分别与砂岩和石灰岩在扇形的0%孔隙度点拟合。插入实际值使之与上述公式相等，得出下列方程： （7-10）解方程组（7-10），得到a，b，c，带入式（7-6）得 （7-11）现在，把式（7-11）与RC/O结合，得到一个与岩性无关的C/O测量，我们称之为C/O，该值去掉了所有的补偿值（即C/

47、O扇形图被转化为一条零基线): （7-12）引入一个接近零的分量(k)来考虑其余环境影响。由于不能精确地了解所有环境因数，因此，测井分析家通常在已知水层调整k值，以使C/O趋近为零。该部分所做工作基本上是利用图5中所示的两个扇形图，将它们结合一起，把不同岩性的C/O扇形图合并为一个与岩性无关、有一条零基线的单一扇形图。现在，C/O 扇形图与浓缩比YC/YO的关系如下： （7-13）即有 （7-14）公式（7-2）的岩性无关形式（或近似与岩性无关）为 （7-15）利用该公式得到的扇形图将略取决于NOma的取值，因为NOSi与NOCa约有10%的微小差别。由于大多数C/O 测井应用于碎屑岩油藏中，

48、此处利用的是砂岩值。使式（7-14）和式（7-15）相等，带入表1的原子密度值，解So得到 （7-16）其中 （7-17）参数k是一个近似为零的数值，它消除了所有其他可能导致D C/O值在饱含水油藏中不为零的剩余环境影响因素（井眼尺寸、套管尺寸、水泥胶结类型等）。公式（7-17）中的前两项实际上表明了当C/O和Ca/Si曲线在水层中重叠但在油层中分离时的刻度因子和偏移量。图7-16给出了D C/O和孔隙度的交会图。图中标有“*”的数据与经过式（7-17）（k=0）计算得到的，与图7-15中左边标有“*”的数据相同。图7-16 与岩性无关的碳氧比差值（C/O）扇形图C/O测量的标准偏差（Jaco

49、bson等人1993给出）是 （7-18）式中，C碳能窗中的计数率； O氧能窗中的计数率； S测井速度，单位 ft/min； D有效深度平均，ft。D通常为3.25ft。因为C和O表示的是总记数（未经俘获本底校正），系数1.2 说明所需的俘获本底谱校正量。对于典型的测井条件，总的非弹性记数率（ITCR曲线）约为4000记数/秒（cps）。在这种情况下，C和O的典型计数率分别为270cps和570cps。对于测井速度为5ft/min，深度平均为3.25 ft的情况，得s C/O =0.007。测量的动态范围（DR）被定义为当饱和流体从水变到油时RC/O变化。由图7-15得知，DR在孔隙度为35%

50、时为0.057。这说明在以5 ft/min的测速进行单趟测井时，含油饱和度S o有12%的不确定性。与PSGT相比，在相同的环境下PSG 仪器得到的不确性为S o =9%。因此，必须增加测井次数，或将 RMT测井速度降低约40%，以得到与较大直径仪器相同的特性。俘获模式按照如图7-17所示的体积模型，在高矿化度地层水条件下， （7-19）式中 Sw 泥岩的宏观俘获截面；油气的宏观俘获截面；SshSma 测量前地层水的宏观俘获截面；Sh地层的泥质含量；地层的有效孔隙度；地层含水饱和度。图7-17 俘获模式体积模型图7-17 俘获模式体积模型由式（7-19）可直接求出地层的含水饱和度，即 （7-2

51、0）对于低矿化度地层的情况，采用测-注-测方法求取地层含水饱和度。注硼（钆）测量前地层俘获截面等于 （7-21）注硼（钆）测量后地层俘获截面等于 （7-22）式中 测量前地层俘获截面；测量后地层水的宏观俘获截面；由式（7-21）和式（7-22）可求出含水饱和度为 （7-23）3氧活化水流速度测井的数学模型设水流方向与仪器平行,距仪器距离为r (见图7-18) 。中子源位于z = 0处,探测器位于z = Ls 处。流动中,该处快中子通量NF (t)，t时刻该单位体积水中的活化原子数n(t)的净增长率等于产生率减去衰减率,有 （7-24）图7-18 活化水流对探测器的贡献示意图式中N0阿佛伽德罗常

52、数，= N0/M；流体密度，g/cm3；微观反应截面，10-24cm2；M分子量，g；16N的衰变系数。 解式（7-24）得到活化原子数，有 （7-25） 该单位体积内的放射性活度da(t)为 (7-26) 如果NF(t)是常数，则有 （7-27）式（7-27）说明当快中子通量为常数时,中子开始发射时活度是以指数函数上升,中子停止发射时活度以指数函数下降。在柱坐标系(r , z) 中,探测器的单位体积计数率为 （7-28） 对dC(t)做体积积分得到探测器得计数率 （7-29）式中-Z1Z 轴向负方向上足够远,活度无法被探测器记录到的位置；+Z2Z轴向正方向上足够远,活度无法被探测器记录到的位

53、置；E探测器效率；2平均伽马吸收系数；r1氧活化流动水环形空间的内径；r2氧活化流动水环形空间的外径；LS从源点到探测器的距离。这个积分类似于自然伽马方法的积分。式（7-29）这个积分值对距离 r2 + (Z-LS)21/2非常敏感,或者说只有氧活化的水环离探测器非常近时积分就接近一个正常数,稍微远一点积分就接近0或本底值。 活化计数率是流速v的如下函数 （7-30）考虑到使用两个探测器，可以推到出 （7-31）由式（7-31）可以推倒出水流速度。第五节 应用实例分析 经过多年高速开发，油田进入开发中后期，油层水淹严重，再加上纵向含油层系多、油水关系复杂，生产中层系转换频繁，地下含油状况及渗透

54、率等主要参数已发生很大的变化，这些参数的变化及分布不仅是进行油藏储层和开发水平评价的指标，而且决定了今后开发方式的选择和调整方向的确定。因此，开展剩余油分布的研究对于油田挖潜改造、提高采收率非常重要。而RMT仪器用于套管井测量，为评价地层剩余油分布提供了一个很好的方法。该仪器具有直径小、探测精度高、技术指标高，质量控制严格、应用范围广等特点。自2001年4月在中国应用以来，已在大庆、胜利、大港、冀东等油田测量了几百口井，在剩余油分布、区块分析、开发复杂小断块油气藏、开发方案调整中取得了令人满意的效果。具体说，RMT仪器可以应用于以下几个方面。一确定剩余油饱和度，识别油、气、水层，判别油层的水淹程度1判别储层水淹程度图7-19是胜利油田河X-侧X井的解释成果图。该井是1998年11月投产,共钻遇油图7-19 河X-测X井解释成果图层沙二5-上稳,共6层42.5m, 到目前已射开6层34.5m, 全井生产表现为高含水,油井低效生产；2001年8月进行RMT测井, 测井前生产层沙二7, 采用250m3电泵,日产液量299t,日产油5.0t,含